发布于：2007/5/28 8:54:12 | 2026 次阅读
［摘 要］ 详细介绍了一种新颖的温控仪测试方法———Pt100的单片机阻抗模拟法，和基于此法的系统硬件和软件设计。与传统的测试装置相比，该设计大大简化了装置结构、降低了装置成本，可缩短测试时间。
［关键词］ 测试装置；阻抗模拟；单片机；显示识别；RS－232通信
The development of a testing device for the E5AX series temperature controller
ZENGYa－bo，PAN Di－fu
（CentralSouth University，Hunan－Changsha410075，China）
Abstract：This paper gives an account of an novel method for testing temperature controller，i．e．RTD＇ssimulation method based on MCU，and discusses its hardware and software design．Compared with a traditionaltesting device，this method can simplifythe hardware structure，bring down costand reducetesting time greatly．
Key words：Testing device；Impedance simulation；MCU；Identification display；RS－232 communication
1 前 言
根据统一型客车空调控制柜的设计和应用，铁路空调客车大量使用了OMRON公司的E5AX系列温控仪，测温传感器均为Pt100。为保证客车空调控制系统正常工作，各车辆应用部门须定期对温控仪进行校验。校验的主要内容有两项：在工作温度范围内温控仪是否保持其测量；温控仪控制输出的高、低温继电器的动作值和回差值是否正确。传统的测试方法是将标准的Pt100温度传感器置于一个可调的恒温源中，温控仪的输入为标准Pt100，在各测试点用比较法来检测温控仪。制作一种可制冷、升温的恒温源成本很高，稳定到各测试点的时间较长，要实现较高的温度分辨率和稳定度也不是很容易。从Pt100的工作原理可知，它是将温度的变化转换成与之对应的电阻变化，对于工作在Pt100模式的E5AX温控仪而言，其测量的是电阻值，而显示和控制则是按温度分度。根据此思想，笔者在为铁路车辆段研制“客车空调温控仪试验台”时，设计了一种基于单片机和DAC的程控电阻发生器来模拟标准Pt100传感器，作为被试温控仪的输入。在 各模拟温度点，检测温控仪的显示输出即可。此法无需真实温度源，因此使试验台的硬件大大简化，制作成本也大幅度下降，同时使测试时间大为缩短。
试验台的主要技术参数：
（1）模拟温度范围：10℃～50℃，误差≤0．5％
（2）模拟温度分辨率：14℃～20℃和22℃～28℃范围内为0．1℃，其余为0．5℃
（3）计算机自动完成全部测试过程，打印出测试报表。
2 阻抗模拟原理
图2—1是阻抗（电阻）模拟的基本原理图。设放大器不吸收电流，它将电压U反向放大K倍。由图2—1得等效电阻（即模拟电阻）
由上式可见，只要程控放大器的增益K，便可改变等效电阻Rm。实现程控放大器的方法有多种，如用多路开关或继电器阵列切换增益电阻，或者用数控电位器来改变增益，但从计算机接口方便、增益的控制和分辩率方面考虑，用数模转换IC（DAC）来实现程控放大器应该是研制项目的方案。
用DAC实现程控放大器的程控阻抗变换原理如图2—2所示。
设DAC（电压型）的转换特性为Di是输入的数字量，n为DAC的位数，VR是DAC的参考电压。而VR＝U（1＋R2／R1），I＝（U－Ux）／R。结合这3个算式便可得模拟电阻表达式：
由上式可见，只要程控数字量Di，便可得所需的模拟电阻值。尽管Rm与Di的关系为非线性，但对于带有计算机的装置来说，非线性并不构成问题。
将反馈电阻R换成C或L、或它们的组合，可构成电容、电感或阻抗的程控发生器。
3 硬件设计
图3—1为试验台的单片机系统硬件结构。
DAC采用TI公司的TLV5616芯片，该芯片为8Pin SOIC封装，单电源供电（2．7～5．5V），12位分辨率、具有灵活的4线串行接口、电压输出型、差分非线性（DNL）＜0．5LSB、串行时钟频率可达20MHz。TLV5616可以与TMS320、SPI和Microwire串行口无缝连接。系统所采用的89C51单片机虽然无通用的SPI接口，但可以通过软件来实现TLV5616的工作时序，编程也不算复杂。
图3—2是TLV5616的引脚图。DIN是串行数字输入端，SCLK串行时钟输入端，为片选输入端，FS为帧同步输入端，VREF为参考电压输入端（系统中接运放1的输出），VOUT是电压输出端。片内有一个2倍的输出放大器，其转换关系为：
VOUT＝2×VREF×Di／4096 （3—1）
受电源电压5V的限制，VOUT应小于4．6V。
TLV5616的DIN、SCLK和FS分别接89C51的P1．0到P1．3。口线P1．4和P1．5用于检测E5AX的高、低温继电器的动作状态；P0和P2口用于自动识别E5AX的LED显示。串行口经MAX232转换成RS－232的电平和逻辑，与上位计算机通信。
3．2 显示的识别
试验台提供两种方式获取E5AX温控仪的显示输出：一种方式为人工读取后输入计算机，另一种方式为自动识别LED数码管的显示数据。图3—1中的光敏三极管阵列用于检测LED数码管各特征段的“亮／灭”状态，以实现自动识别显示功能。
经实测，将光敏三极管（负载电阻RL＝51 k）距E5AX显示面板0．5～1 mm处，并基本对准LED的发光段，当发光段亮／灭时，在负载电阻上可获得＞1V的变化量。由此易见，用光敏三极管可以可靠地检测出LED显示器的各段状态。
根据试验台的技术参数，需检测3位LED显示器，每位有7段（小数点固定，无需检测），按常规共计要检测21个显示段。表3—1列出了显示符和与之对应的显示段状态，“1”表示显示段“亮”。从编码识别角度仔细分析表3—1中的数据可以发现a、b、e、f、g段（称之特征段）的状态，便可惟一的识别出显示符。这样一来，由常规的检测21个显示段减至检测15个特征段，不但节省了单片机的I／O口，而且使硬件电路简化。
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